一種sim卡及其射頻識別系統的製作方法
2023-05-15 22:36:11
專利名稱：一種sim卡及其射頻識別系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及行動支付領域，尤其涉及一種SIM卡及其射頻識別系統。
背景技術：
隨著經濟的發展和信息技術的日新月異變化，我國擁有手機等可通信的設備的人數以達到7億。在可通信設備中加入支付功能能夠減少人們隨身攜帶錢包的不便並使得人們享受隨時隨地支付的便捷，因此，行動支付受到越來越多的重視，並在可預見的未來具有廣闊的商業發展空間。目前已有的在SIM卡上集成射頻識別功能以實現行動支付的SIM卡均存在一個問題用於接收和發射信號的天線較大，不能適應SIM卡小型化的要求。根據傳統的天線理論，天線的尺寸為所需響應電磁波波長的四分之一，因此根據傳統理論設計的天線，其尺寸被電磁波波長限制，不可自由調節。現有技術中存在一個解決方案，即將天線設置於SIM卡模塊之外，例如設置於手機外殼上，但此種做法無疑增加了手機設計時的成本且設置於SIM 卡模塊外的天線也容易損壞。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述不足，提出一種集成有尺寸不受電磁波波長限制、更加小型化且具有較強的適應性和通用性的超材料射頻天線的SIM卡及具有該SIM卡的射頻識別系統。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是，提出一種SIM卡，其包括信號感應和接收模塊、SIM卡主控模塊、射頻收發模塊，其特徵在於還包括超材料射頻天線，所述SIM卡主控模塊處理所述信號感應和接收模塊接收到的信號，所述SIM卡主控模塊的指令和數據通過所述射頻收發模塊轉換後通過所述超材料射頻天線發送出去，所述射頻收發模塊還通過所述超材料射頻天線接收外部設備的指令和數據並交由所述SIM卡主控模塊處理；所述超材料射頻天線包括介質基板、饋線、附著在所述介質基板一表面的金屬片，所述饋線通過耦合方式饋入所述金屬片，所述金屬片上鏤空有微槽結構以在所述金屬片上形成金屬走線，所述天線預設有供電子元件嵌入的空間。進一步地，所述SIM卡還包括卡基板，所述信號感應和接收模塊、所述SIM卡主控模塊、所述射頻收發模塊和所述超材料射頻天線均一體封裝於所述卡基板內。進一步地，所述微槽結構包括互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構以及通過前面幾種結構衍生、複合、組合或組陣得到的微槽結構。進一步地，所述空間設置在所述饋線、所述饋線與所述金屬片之間及所述金屬片這三個位置的至少一個上。進一步地，所述空間設置在所述金屬片上的金屬走線上。進一步地，所述空間設置在所述金屬片上的微槽結構上，且連接所述微槽結構相鄰槽邊的金屬走線。進一步地，所述電子元件為感性電子元件、容性電子元件或者電阻。進一步地，所述SIM卡還包括接口模塊，所述接口模塊與所述SIM卡主控模塊電連接使得所述SIM卡通過所述接口模塊與移動終端交換數據。進一步地，所述移動終端使用GSM、CDMA.3G或4G通信網絡的手機。本實用新型還提供一種射頻識別系統，包括閱讀器以及應答器，所述應答器為上述任意一項所述的SIM卡。本實用新型將超材料射頻天線應用於射頻SIM卡中，由於超材料射頻天線尺寸不受限於電磁波波長且不需要額外配置阻抗匹配網絡，使得SIM卡上更易集成該天線，且該天線在SIM卡工作頻段依然保持優良的性能和小型的尺寸。且本實用新型SIM上的超材料射頻天線通過在饋線、饋線與金屬片之間及金屬片這三個位置的至少一個上設置供電子元件嵌入的空間，可以通過改變嵌入的電子元件的性能對天線的性能進行微調，設計出滿足適應性及通用性的要求的天線。
圖1是本實用新型SIM卡上超材料射頻天線結構示意圖；圖2是本實用新型SIM卡上超材料射頻天線第一實施例的結構示意圖；圖3是本實用新型SIM卡上超材料射頻天線第二實施例的結構示意圖；圖4是本實用新型SIM卡上超材料射頻天線第三實施例的結構示意圖；圖5是本實用新型SIM卡上超材料射頻天線第四實施例的結構示意圖；圖6是本實用新型SIM卡上超材料射頻天線第五實施例的結構示意圖；圖7a為互補式開口諧振環結構的示意圖；圖7b所示為互補式螺旋線結構的示意圖；圖7c所示為開口螺旋環結構的示意圖；圖7d所示為雙開口螺旋環結構的示意圖；圖7e所示為互補式彎折線結構的示意圖；圖為圖7a所示的互補式開口諧振環結構其幾何形狀衍生示意圖；圖8b為圖7a所示的互補式開口諧振環結構其擴展衍生示意圖；圖9a為三個圖7a所示的互補式開口諧振環結構的複合後的結構示意圖；圖9b為兩個圖7a所示的互補式開口諧振環結構與圖7b所示為互補式螺旋線結構的複合示意圖；圖10為四個圖7a所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖；圖11為本實用新型SIM卡的結構框圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型技術方案作進一步描述。如圖6所示，圖6為本實用新型SIM卡的結構框圖。圖6中，SIM卡包括信號感應和接收模塊101、SIM卡主控模塊102、射頻收發模塊103、超材料射頻天線100以及接口模塊105。本實施例中，上述各模塊均一體封裝於SIM卡卡基板104內。可以想像地，為使得空間更加緊湊，亦可以將部分模塊設置於SIM卡卡基板104的相對表面上，其他模塊設置於卡基板104內部。信號感應和接收模塊101感應和接收外部的信號，通常為磁信號，並將該信號傳輸給SIM卡主控模塊102，SIM卡主控模塊102根據接收到的信號判斷，當需要與外部設備通信時，SIM卡主控模塊102發出指令和數據給射頻收發模塊103，射頻收發模塊103接收到SIM卡主控模塊102發出的指令和數據後將指令和數據轉化後通過超材料射頻天線100 發送出去。同時，超材料射頻天線100還可接收外部的電磁信號並傳輸給射頻收發模塊 103，由射頻收發模塊103轉換後傳輸給SIM卡主控模塊102。本實施例中，SIM卡還包括接口模塊105，SIM卡主控模塊102通過接口模塊105與移動終端交換數據。本實用新型的移動終端可為使用GSM、CDMA.3G或4G通信網絡的各種手機設備。本實施例中，信號感應和接收模塊101、SIM卡主控模塊102、射頻收發模塊103以及接口模塊105均可使用常規的現有技術，其內部結構和工作方式為本領域技術人員所公知，且不是本實用新型主要實用新型技術要點，因此在此不做詳細描述。應用於行動支付領域的射頻標準一般為低頻頻率，例如13. 56MHZ或2. 4GHZ，為了使SIM卡能工作於低頻率，天線的作用尤為重要。然而根據傳統天線設計方案，天線的長短是與波長成正比的，頻率越低，波長越長從而導致天線體積越大。按照傳統天線設計方案， 工作頻率仍以13. 56MHZ或2. 4GHZ為例，天線的厚度和長度均較大，很難實現在SIM卡上的應用。且為了保證天線的高性能，傳統天線設計方案中一般還需要增加阻抗匹配網絡。超材料是由具有一定圖案形狀的人造微結構排布於基材上而構成，人造微結構不同的圖案形狀和尺寸結構使得超材料具有不同的介電常數和不同的磁導率從而使得超材料具有不同的電磁響應。其中，當該人造微結構處於諧振頻段時，該人造微結構將表現出高度的色散特性，所謂高度的色散特性是指該人造微結構的阻抗、容感性、等效的介電常數和磁導率隨著頻率會發生劇烈的變化。本實用新型利用超材料的上述原理，設計一種超材料射頻天線，其將微槽結構形成於第一金屬片上，該第一金屬片和饋線的耦合作用使得天線具有豐富的輻射特性從而省去阻抗匹配網絡的設計並使得天線的尺寸不受限於所需響應電磁波的波長以實現天線的小型化。本實用新型的核心在於超材料射頻天線，以下詳細描述本實用新型的超材料射頻天線。為了更好的描述本實用新型的天線的結構，圖1採用透視圖畫法，如圖1所示，本實用新型的所述超材料射頻天線100包括介質基板1、饋線2、附著在介質基板1 一表面的金屬片4，所述饋線2通過耦合方式饋入所述金屬片4，所述金屬片上鏤空有微槽結構41以在金屬片上形成金屬走線42，所述天線100預設有供電子元件嵌入的空間6。圖1至圖6 中，金屬片4上的畫剖面線的部分為金屬走線42，金屬片4上的空白部分(鏤空的部分)表示微槽結構41。另外，饋線2也用剖面線表示。饋線2圍繞金屬片4設置以實現信號耦合。另外金屬片4與饋線2可以接觸，也可以不接觸。當金屬片4與饋線2接觸時，饋線2與金屬片4之間感性耦合；當金屬片4與饋線2不接觸時，饋線2與金屬片4之間容性耦合。本實用新型中的所述微槽結構41可以是圖7a所示的互補式開口諧振環結構、圖7b所示的互補式螺旋線結構、圖7c所示的開口螺旋環結構、圖7d所示的雙開口螺旋環結構、圖7e所示的互補式彎折線結構中的一種或者是通過前面幾種結構衍生、複合或組陣得到的微槽結構。衍生分為兩種，一種是幾何形狀衍生，另一種是擴展衍生，此處的幾何形狀衍生是指功能類似、形狀不同的結構衍生，例如由方框類結構衍生到曲線類結構、三角形類結構及其它不同的多邊形類結構；此處的擴展衍生即在圖7a至圖7e的基礎上開設新的槽以形成新的微槽結構；以圖7a所示的互補式開口諧振環結構為例，圖8a為其幾何形狀衍生示意圖，圖8b為其幾何形狀衍生示意圖。此處的複合是指，圖7a至圖7e的微槽結構多個疊加形成一個新的微槽結構，如圖9a所示，為三個圖7a所示的互補式開口諧振環結構複合後的結構示意圖；如圖9b所示，為兩個圖7a所示的互補式開口諧振環結構與圖7b所示為互補式螺旋線結構共同複合後的結構示意圖。此處的組陣是指由多個圖7a至圖7e所示的微槽結構在同一金屬片上陣列形成一個整體的微槽結構，如圖10所示，為多個如圖7a所示的互補式開口諧振環結構組陣後的結構示意圖。以下均以圖7c所示的開口螺旋環結構為例闡述本實用新型。下面分五個實施例來詳細介紹本實用新型。第一實施例如圖2所示，在本實施例中，在饋線2上預設有嵌入感性電子元件和/或電阻的空間51，預設的嵌入電子元件空間的位置可以是饋線2上的任意位置，並且可以有多個。可在空間51中嵌入感性電子元件，以改變饋線2上的電感值。運用公式f=l/ (2ttD，可知電感值的大小和工作頻率的平方成反比，所以當需要的工作頻率為較低工作頻率時，通過適當的嵌入電感或感性電子元件實現。本實施例中，加入的感性電子元件的電感值範圍在 0-5uH之間，若太大交變信號將會被感性元件消耗從而影響到天線的輻射效率。本實施例的所述天線具有多個頻段的良好輻射特性，五個主要輻射頻率從900MHz —直分布到5. 5GHz, 幾乎涵蓋了 GSM、CDMA、藍牙、W-Lan (IEEE802. 11協議)、GPS、TD-LTE等各個主要的通信頻率，具有非常高的集成度且可通過對饋線上的電感值進行調節達到改變天線工作頻率的目的。當然，也可以在空間51中嵌入電阻，以改善天線的輻射電阻。當然，饋線上的空間也可以是多個，其中分別嵌入電阻以及感性電子元件，既實現了工作頻率的調節，又能改善天線的輻射電阻。未加入電子元件的空間可用導線短接。實施例二如圖3所示，在本實施例中，在饋線2與金屬片4之間預設有嵌入容性電子元件的空間53，預設的嵌入電子元件空間的位置可以是饋線2與金屬片4之間的任意位置。圖 3中空間53為本實施例中嵌入容性電子元件的空間，饋線2與金屬片4之間本身具有一定的電容，這裡通過嵌入容性電子元件調節饋線與金屬片4之間的信號耦合，運用公式 f=l/ (2ttD，可知電容值的大小和工作頻率的平方成反比，所以當需要的工作頻率為較低工作頻率時，通過適當的嵌入電容或感性電子元件實現。本實施例中，加入的容性電子元件的電容值範圍通常在0-2pF之間，不過隨著天線工作頻率的變化嵌入的電容值也可能超出0-2pF的範圍。當然，也可以在饋線2與金屬片4之間預設多個空間。同樣，在未連接有電子元件的空間中，採用導線短接。實施例三如圖4所示，在本實施例中，在金屬片的金屬走線42上預留有嵌入感性電子元件和/或電阻的空間，嵌入電子元件的空間不僅僅局限於圖中給出的空間55和空間56，其他位置只要滿足條件均可。此處嵌入感性電子元件的目的是增加金屬片內部諧振結構的電感值，從而對天線的諧振頻率及工作帶寬起到調節的作用；與實施例一相同，此處嵌入電阻的目的是改善天線的輻射電阻。至於是嵌入感性電子元件還是電阻，則根據需要而定。另外在未嵌入電子元件的空間中，採用導線短接。實施例四如圖5所示，在本實施例中，在微槽結構41上預留有嵌入容性電子元件的空間57， 並且所述空間57連接微槽結構41相鄰槽邊的金屬走線42。嵌入電子元件的空間不僅僅局限與圖5中給出的空間57，其他位置只要滿足條件均可。嵌入容性電子元件可以改變金屬片的諧振性能，最終改善天線的Q值及諧振工作點。作為公知常識，我們知道，通頻帶BW與諧振頻率wO和品質因數Q的關係為BW = wo/Q，此式表明，Q越大則通頻帶越窄，Q越小則通頻帶越寬。另有Q = wL/R = 1/wRC，其中，Q是品質因素；w是電路諧振時的電源頻率； L是電感；R是串的電阻；C是電容，由Q = wL/R = 1/wRC公式可知，Q和C呈反比，因此，可以通過加入容性電子元件來減小Q值，使通頻帶變寬。實施例五如圖6所示，在本實施例中，在饋線2、饋線2與金屬片4之間及金屬片4這三個位置上都設置供電子元件嵌入的空間。其中，金屬片4上的空間包括設置在金屬走線42上的空間以及設置在微槽結構41上且連接兩側的金屬走線42的空間。具體地，本實施例中的空間包括饋線2上的空間61，饋線2與金屬片4之間的空間63，金屬走線42上的空間65、 66，微槽結構41上的空間67，當然，本實施例中給出的位置並不是唯一性的，本實施例中， 在上述的空間中加入電子元件以調節天線的性能，其原理與實施例一至四的原理類似，本實施例不再描述。本實用新型的天線100上空間的預留位置並不限於上述五種形式，空間只要設置在天線上即可。例如，空間還可以設置在介質基板上。本實用新型的所述電子元件為感性電子元件、容性電子元件或者電阻。在天線的預留空間中加入此類電子元件後，可以改善天線的各種性能。並且通過加入不同參數的電子元件，可以實現天線性能參數的可調。因此，本實用新型的天線在不加入任何元件之前可以是一樣的結構，只是通過在不同位置加入不同的電子元件，以及電子元件的參數(電感值、電阻值、電容值)，來實現不同天線的性能參數。即實現了通用性。可以大幅降低生產成本。本實用新型的所述空間可以是焊盤，也可以是一個空缺。焊盤的結構可以參見普通的電路板上的焊盤。當然，其尺寸的設計根據不同的需要會有所不同。另外，本實用新型中，介質基板由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料製成。優選地，由高分子材料製成，具體地可以是FR-4、F4B等高分子材料。優選地， 本實用新型SIM卡上的超材料射頻天線100的介質基板的材質與卡基板100的材質相同， 或者部分卡基板104即構成了超材料射頻天線100的介質基板。本實用新型中，金屬片為銅片或銀片。優選為銅片，價格低廉，導電性能好。本實用新型中，饋線選用與金屬片同樣的材料製成。優選為銅。本實用新型中，關於天線的加工製造，只要滿足本實用新型的設計原理，可以採用各種製造方式。最普通的方法是使用各類印刷電路板(PCB)的製造方法，當然，金屬化的通孔，雙面覆銅的PCB製造也能滿足本實用新型的加工要求。除此加工方式，還可以根據實際的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是Radio Frequency Identification的縮寫， 即射頻識別技術，俗稱電子標籤)中所使用的導電銀漿油墨加工方式、各類可形變器件的柔性PCB加工、鐵片天線的加工方式以及鐵片與PCB組合的加工方式。其中，鐵片與PCB組合加工方式是指利用PCB的精確加工來完成天線微槽結構的加工，用鐵片來完成其它輔助部分。另外，還可以通過蝕刻、電鍍、鑽刻、光刻、電子刻或離子刻的方法來加工。另外本實用新型還提供一種射頻識別系統，包括閱讀器以及應答器，所述應答器為上述的SIM卡。上面結合附圖對本實用新型的實施例進行了描述，但是本實用新型並不局限於上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本實用新型的保護之內。
權利要求1.一種SIM卡，包括信號感應和接收模塊、SIM卡主控模塊、射頻收發模塊，其特徵在於還包括超材料射頻天線，所述SIM卡主控模塊處理所述信號感應和接收模塊接收到的信號，所述SIM卡主控模塊的指令和數據通過所述射頻收發模塊轉換後通過所述超材料射頻天線發送出去，所述射頻收發模塊還通過所述超材料射頻天線接收外部設備的指令和數據並交由所述SIM卡主控模塊處理；所述超材料射頻天線包括介質基板、饋線、附著在所述介質基板一表面的金屬片，所述饋線通過耦合方式饋入所述金屬片，所述金屬片上鏤空有微槽結構以在所述金屬片上形成金屬走線，所述天線預設有供電子元件嵌入的空間。
2.如權利要求1所述的SIM卡，其特徵在於所述SIM卡還包括卡基板，所述信號感應和接收模塊、所述SIM卡主控模塊、所述射頻收發模塊和所述超材料射頻天線均一體封裝於所述卡基板內。
3.如權利要求1或2所述的SIM卡，其特徵在於所述微槽結構包括互補式開口諧振環結構、互補式螺旋線結構、開口螺旋環結構、雙開口螺旋環結構、互補式彎折線結構以及通過前面幾種結構衍生、複合、組合或組陣得到的微槽結構。
4.如權利要去1所述的SIM卡，其特徵在於所述空間設置在所述饋線、所述饋線與所述金屬片之間及所述金屬片這三個位置的至少一個上。
5.如權利要求4所述的SIM卡，其特徵在於所述空間設置在所述金屬片上的金屬走線上。
6.如權利要求4所述的SIM卡，其特徵在於所述空間設置在所述金屬片上的微槽結構上，且連接所述微槽結構相鄰槽邊的金屬走線。
7.如權利要求1所述的SIM卡，其特徵在於所述電子元件為感性電子元件、容性電子元件或者電阻。
8.如權利要求1所述的SIM卡，其特徵在於所述SIM卡還包括接口模塊，所述接口模塊與所述SIM卡主控模塊電連接使得所述SIM卡通過所述接口模塊與移動終端交換數據。
9.如權利要去8所述的SIM卡，其特徵在於所述移動終端使用GSM、CDMA、3G或4G通信網絡的手機。
10.一種射頻識別系統，包括閱讀器以及應答器，其特徵在於所述應答器為權利要求 1至9任意一項所述的SIM卡。
專利摘要本實用新型公開一種SIM卡及其射頻識別系統，包括信號感應和接收模塊、SIM卡主控模塊、射頻收發模塊，還包括超材料射頻天線；所述超材料射頻天線包括介質基板、饋線、附著在介質基板一表面的金屬片，所述饋線通過耦合方式饋入所述金屬片，所述金屬片上鏤空有微槽結構以在金屬片上形成金屬走線，所述天線預設有供電子元件嵌入的空間。本實用新型將超材料射頻天線應用於射頻SIM卡中，由於超材料射頻天線尺寸不受限於電磁波波長且不需要額外配置阻抗匹配網絡，使得SIM卡上更易集成該天線，且該天線在SIM卡工作頻段依然保持優良的性能和小型的尺寸，且本實用新型的天線通過改變嵌入天線的電子元件的性能以對天線的性能進行微調，能設計出滿足SIM卡適應性及通用性要求的天線。
文檔編號G06K19/077GK202126698SQ201120217440
公開日2012年1月25日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者劉若鵬, 徐冠雄 申請人:深圳光啟創新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院